连续搅拌釜式反应器课程设计报告书

摘要

在工业过程中，温度是最常见的控制参数之一，反应器温度控制是典型的温度控制系统。对温度的控制效果将影响生产的效率和产品的质量，如果控制不当，将损害工艺设备，甚至对人身安全造成威胁。因此反应器温度的控制至关重要。

连续搅拌釜式反应器是化学生产的关键设备，是一个具有大时滞、非线性和时变特性、扰动变化激烈且幅值大的复杂控制对象。结合控制要求，通过分析工艺流程，本论文设计了串级PID分程控制方案。方案选定后，进行了硬件和软件的选择。硬件上选用西门子公司的S7-200 PLC，并用相应的STEP7软件编程。利用Matlab 7.0对系统进行了仿真。

关键词：温度反应器串级PID 西门子S7-200PLC

Abstract

In the industrial process, temperature is one of the most common control parameters, reactor temperature control system is a typical temperature control system. The temperature control effect will influence the production efficiency and product quality, if it is not controlled properly, process equipment will be damaged, even personal safety will be threatened. Thus the reactor temperature control is essential.

Continuous stirred tank reactor is the key equipment in chemical production, it is a complicated control object with a large time delay, nonlinearity,time-varying characteristics and drastic changes and large amplitude disturbance. Combined with the control requirements, in this paper I design the cascade PID control scheme after a careful analysis of the production process.The hardware and software selection are done following the selection of control scheme. As to hardware, the S7-200 PLC of Siemens is chosen, and the corresponding software STEP7 is chosen for programming.Matlab7.0 work for the simulation.

Keywords：temperature cascade PID Siemens S7-200 PLC

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作者签名：日期：

第1章概述.................................................................................. - 1 - 1.1 课题研究背景及意义................................................................. - 1 -

1.1.1反应器概述.......................................................................... - 1 -

1.1.2 温度控制概述...................................................................... - 1 - 1.2 本设计的主要工作.................................................................... - 2 - 第2章控制方案选择 .......................................................................... - 3 -

2.1 工艺流程概述 .......................................................................... - 3 - 2.2 工艺过程分析 .......................................................................... - 4 - 2.3 控制方案设计 .......................................................................... - 4 - 2.4 PID分程控制方案.................................................................... - 5 -

2.4.1 PID控制原理 ...................................................................... - 5 -

2.4.2 数字PID控制算法............................................................... - 7 -

2.4.3 数字PID控制器参数整定 ..................................................... - 9 -

2.4.4 分程控制系统原理.............................................................. - 11 - 2.5 串级控制方案 ........................................................................ - 12 -

2.5.1 串级控制系统原理.............................................................. - 12 -

2.5.2 串级控制系统特点.............................................................. - 13 -

2.5.3 串级控制方案综述.............................................................. - 15 - 2.6 串级PID分程控制方案的实施.................................................. - 15 -

2.6.1 串级PID分程控制方案控制流程图....................................... - 15 -

2.6.2 串级PID分程控制方案系统结构框图.................................... - 16 -

2.6.3 控制过程分析.................................................................... - 17 -

第3章硬件设备选型....................................................................... - 18 - 3.1 PLC选型.............................................................................. - 18 -

3.1.1 I/O选择........................................................................... - 18 -

3.1.2 PLC型号选择.................................................................... - 19 -

3.1.3 结构选择.......................................................................... - 20 -

3.1.4 模拟量扩展模块选择 .......................................................... - 21 - 3.2 调节阀选型 ........................................................................... - 21 -

3.2.1 调节阀类型确定................................................................. - 22 -

3.2.2 调节阀流量特性选择 .......................................................... - 22 -

3.2.3 调节阀口径选择................................................................. - 25 -

3.2.4 作用方式选择.................................................................... - 25 -

3.2.5 调节阀型号选择................................................................. - 26 - 3.3 阀门定位器选型 ..................................................................... - 27 - 3.4 检测变送器选型 ..................................................................... - 28 -

3.4.1 温度传感器选型................................................................. - 29 -

3.4.2 温度变送器选型................................................................. - 30 -

3.4.3 压力传感器选型................................................................. - 31 -

3.4.4 压力变送器选型................................................................. - 31 -

3.4.5 报警装置选型.................................................................... - 32 - 3.5 系统硬件连接 ........................................................................ - 33 - 第4章系统软件设计....................................................................... - 36 - 4.1 控制流程图设计 ..................................................................... - 36 -

4.1.1 主程序流程图设计.............................................................. - 36 -

4.1.2 保温子程序流程图设计 ....................................................... - 39 -

4.1.3 报警子程序流程图设计 ....................................................... - 40 - 4.2 控制梯形图设计 ..................................................................... - 41 - 第5章监控界面设计....................................................................... - 43 -

5.1 系统仿真设计 ........................................................................ - 43 - 总结............................................................................................. - 46 -

致................................................................................................ - 47 - 参考文献.......................................................................................... - 48 - 附录1：搅拌釜微机控制系统的原理图 ................................................. - 49 - 附录2：搅拌釜微机控制系统梯形图程序 .............................................. - 50 -

第1章概述

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 反应器概述

反应器，是任何化学品生产过程中的关键设备，主要给化学反应的介质提供场所，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。不同的生产过程和生产工艺所使用的反应器类型也不同，因此反应器种类很多。就结构形式看，有釜式、管式、塔式、固定床、流化床反应器等；按传热情况看，分为绝热式和非绝热式反应器。釜式反应器有两种操作方式：连续生产和间歇生产。

连续搅拌反应釜（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）是一种复杂的非线性化学反应器，随着生产的发展，广泛应用于化工、发酵、石油生产、生物制药等工业生产过程中，成为发展国民经济的重要化工设备之一。

反应釜部都有搅拌装置，可以使反应器中反应区的反应物料的浓度均一。反应釜的特征参量一般为温度、压力、浓度等，对这些参数控制的好坏直接影响生产物的质量。

1.1.2 温度控制概述

温度是工业生产中最常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。不同生产工艺要求下的温度控制方案也有所不同。

在本论文中，要保证连续搅拌反应釜生产安全，要对反应釜中的温度进行精确控制。反应釜中生产过程既是放热的化学反应过程，又是物理变化过程，聚合反应机理复杂，开始需要迅速达到催化剂适宜温度开始反应，达到一定温度后由于化学